原子的结构(一)

官方化学老师·17 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·4 天前
原子结构科学史微观世界模型建构

原子的结构(一)

搞懂原子结构模型:从汤姆逊到卢瑟福的演变与实验证据

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原子结构科学史微观世界模型建构

原子的结构(一)

搞懂原子结构模型:从汤姆逊到卢瑟福的演变与实验证据

1第 1 页 · 原子的结构(一)

根据核电荷数判断质子数和

你已经知道原子由质子、中子、电子构成,也见过元素周期表。但看到一个陌生的原子,怎么快速判断它有几个质子、几个电子?钥匙就藏在一个数字里——核电荷数。

核电荷数=质子数
原子核所带正电荷总数等于核内质子数,这是定义本身
质子数=核外电子数
原子整体呈电中性,正电荷总数与负电荷总数相等
核电荷数=元素身份证
核电荷数一确定,元素种类就确定,质子数和电子数随之确定
身份证号对应 →核电荷数

身份证号唯一标识一个人,核电荷数唯一标识一种元素;查号就能查到对应信息

2第 2 页 · 根据核电荷数判断质子数和

利用原子结构示意图分析电

前两页我们看了原子核——质子数等于核电荷数,中子数决定同位素。现在把目光转向核外:电子不是随便绕的,它们分层排布,每层能容纳的数量有规律。

示意图怎么读
弧线=电子层,弧上数字=该层电子数
每层容纳上限
第一层≤2,第二层≤8,第三层≤18,最外层≤8
最外层=价电子
决定化学性质,是参与反应的前线
判断活泼性
最外层<4易失电子,≥4易得电子,=8稳定
公寓楼楼层对应 →原子电子层

从底层开始入住,每层有上限,住满就往高层搬;最外层住户决定邻里关系

3第 3 页 · 利用原子结构示意图分析电

利用相对原子质量进行比较

原子核里有质子和中子,但一个氢原子和一个碳原子谁更'重'?单靠感觉不行,得有个统一标准。

定义
以一个碳-12原子质量的1/12为标准,其他原子质量与它的比值
近似算法
相对原子质量 ≈ 质子数 + 中子数(电子质量可忽略)
比较原子轻重
数值越大,原子越重;可比较两原子的相对原子质量
求相对分子质量
相对分子质量 = 各原子的相对原子质量之和
用统一砝码称不同物体对应 →用碳-12作标准衡量原子

都先定一个固定标准,再算'是标准的好几倍',数字就能直接比大小

ArZ+NA_r \approx Z + N
4第 4 页 · 利用相对原子质量进行比较

判断构成物质的粒子类型

前面我们把原子内部拆开看了——质子、中子、电子。但化学真正面对的是物质本身。拿到铁、食盐、氧气,怎么一眼看出它是由原子、分子还是离子撑起来的?这页给你一套判断套路。

金属单质
如Fe、Cu、Au,由原子直接构成,没有分子单元
稀有气体
如He、Ne、Ar,虽是气态但仍以单原子形式存在
非金属气态单质
如O₂、N₂、H₂、Cl₂,原子先两两结成分子
化合物
含金属或NH₄⁺为离子化合物(由离子构成);其余为共价化合物(由分子构成)
一袋不同形态的弹珠对应 →构成物质的基本粒子

散装单颗=原子;两颗粘成一对=分子;一正一负吸附=阴阳离子

5第 5 页 · 判断构成物质的粒子类型

原子

上一页我们看到了原子的内部结构——质子、中子、电子各司其职。这页回到一个更根本的问题:原子到底是什么?为什么要用「原子」这个概念来理解整个物质世界?

定义
化学变化中的最小粒子,也是保持元素化学性质的最小单位
构成
原子核(质子+中子)+ 核外电子;整体不显电性
身份标识
质子数 = 核电荷数 = 原子序数,决定元素种类
典型应用
解释物质构成、化学反应、质量计算的统一起点
乐高基础颗粒对应 →原子

颗粒种类有限,却能拼出万千造型;元素种类有限,却构成世界万物

6第 6 页 · 原子

原子核

上一页我们看到了原子的全貌——电子在核外广阔的轨道上飞驰。今天把镜头拉到最中央,聚焦到原子真正的核心:原子核。

定义
原子中心极其致密、带正电的微小区域
组成
由质子和中子构成,二者统称核子
特性
体积约原子万亿分之一,质量占99.9%以上
应用
核能发电、放射性同位素、癌症放疗
体育场中央的豌豆对应 →原子核

若原子是体育场,核就是中央一颗豌豆,电子在空旷看台上飞

质量数=质子数+中子数,即A=Z+N质量数 = 质子数 + 中子数,即 A = Z + N
7第 7 页 · 原子核

核外电子

假如把原子放大到一座体育场那么大,中间放一颗黄豆代表原子核——核外那些巨大空间里,飞舞着什么呢?

定义
原子核外、带负电的粒子,质量约为质子的1/1836
分层排布
电子按能量高低分层运动(电子层),从内到外能量递增
数量守恒
中性原子中,核外电子数 = 质子数 = 核电荷数
化学意义
最外层电子数决定元素的化学性质,是化学反应的主角
太阳系行星绕日对应 →电子绕核运动

行星轨道对应电子层;但电子无固定轨迹,是概率性的'电子云'

8第 8 页 · 核外电子

质子

上一页我们看到,原子核里挤着两种粒子——质子和中子。今天先来认识其中一位:质子。

带正电荷
每个质子带1个单位正电荷,电性与电子相反
质量约1u
相对质量约为1,与中子质量非常接近
质子数=核电荷数
原子核所带正电荷总数等于核内质子数
决定元素种类
质子数不同的原子属于不同元素
位于原子核内
和中子一起挤在原子中心极小的空间里
身份证号码对应 →质子数

号码唯一标识你的身份,质子数唯一决定原子是哪种元素

9第 9 页 · 质子

中子

上页讲了质子带正电,那原子核里挤着一堆正电荷,它们不互相排斥吗?原来核里还有一种不带电的“和事佬”——中子。

核内中性粒子
与质子共处原子核中心,电中性,对电磁场几乎不响应
质量约 1 u
相对质量≈1,与质子同等计入相对原子质量
电中性潜入者
不受库仑排斥阻挡,可深入原子核,是引发核反应的关键粒子
中子数可变
元素相同、中子数不同的原子互为同位素
不带电的潜入者对应 →中子接近原子核

质子因同种电荷互斥形成库仑墙,中子不带电反而畅行无阻

10第 10 页 · 中子

电子

1897 年汤姆孙研究阴极射线时,发现了一种带负电、质量极小的粒子——只有氢原子质量的约 1/1836。这就是电子,人类认识的第一种亚原子粒子。本页把它单独拆开看。

发现
汤姆孙 1897 年用阴极射线实验确认电子存在,是首个被发现的亚原子粒子
电荷
带 1 个单位负电荷,e ≈ -1.602×10⁻¹⁹ C
质量
约 9.11×10⁻³¹ kg,约为质子质量的 1/1836,常可忽略不计
波粒二象性
既像粒子有确定动量,又像波具有波长(λ=h/p),是量子力学核心特征
电子云模型
在核外以概率分布出现,没有固定轨道——只能描述出现概率
蜂巢周围飞舞的蜜蜂群对应 →核外的电子云

说不准某只蜜蜂此刻在哪,但能描述它出现在某区域的概率大小

11第 11 页 · 电子

核电荷数

核电荷数:定义、要点与典型应用

核电荷数
核电荷数:定义、要点与典型应用
12第 12 页 · 核电荷数

原子不显电性

我们已经知道质子带正电、电子带负电。但你摸到的桌子、杯子、笔,为什么不会电到你?因为原子整体不显电性。

质子数 = 电子数
中性原子中,原子核内质子数与核外电子数相等
正负电荷等量抵消
正电荷总量与负电荷总量相等,电性相互抵消
中子不影响电性
中子不带电,对原子是否显电性没有贡献
核电荷数 = 核外电子数
由核电荷数可直接推出中性原子的核外电子数
跷跷板两边坐等重的人对应 →原子中的正负电荷

正负电荷数量相等时像跷跷板平衡,整体表现为电中性

$$核电荷数 = 质子数 = 核外电子数$$
13第 13 页 · 原子不显电性

核外电子分层排布

我们已经知道电子绕核运动,但它们是随意分布的吗?其实电子分层排布——就像住楼房,有人住低层有人住高层,每层都有规矩。

电子层
电子在核外不同距离区域运动,形成分层结构
能量差异
离核越近能量越低,越远能量越高
排布顺序
电子优先填满内层,再依次向外排布
各层容量
第n层最多容纳2n²个电子
化学性质
最外层电子数决定原子得失电子的倾向
楼房分层住人对应 →电子分层排布

楼层=电子层,大堂=原子核,楼层有容量上限=2n²,住户先填低层再填高层

2n2(n=1,2,3,)2n^2 \quad (n=1,2,3,\cdots)
14第 14 页 · 核外电子分层排布

电子层

上节课我们知道核外电子是分层排布的——为什么电子要分层?不同层之间有什么不一样?这一页我们把「电子层」彻底拆透。

定义
核外电子因能量不同,在距核不同区域运动,每一区域就是一个电子层
编号与名称
从内向外依次为第 1、2、3…层,又称 K、L、M、N…层
能量规律
离核越近能量越低越稳定;越远能量越高,越容易失去
最容纳电子数
每层最多 2n² 个电子(n 为层数):第1层≤2,第2层≤8…
典型应用
原子电子层数 = 元素在周期表中所处的周期数
大楼的楼层对应 →电子层

核像地基,楼层越靠下越稳固(能量低),每层有最大居住人数 2n²

$2n^2$
15第 15 页 · 电子层

本节要点

  • 原子 = 原子核(质子+中子)+ 核外电子
  • 中性原子:质子数 = 电子数 = 核电荷数
  • 相对原子质量 ≈ 质子数 + 中子数
  • 原子不显电性:正负电荷等量抵消
  • 核外电子分层排布,能量随层数递增
延伸主题:离子:原子得失电子后的结构原子结构(二):电子排布规律元素周期表与原子结构的关系
16第 16 页 · 本节要点

课后思考

先合上书想一想,再对照下面的参考答案。

1质子数相同的原子一定是同种元素吗?反过来呢?

参考答案质子数相同一定是同种元素(离子也仍是同种元素)。反过来也成立——因为质子数=核电荷数,就是元素的'身份证'。

2钠(11个电子)和氖(10个电子)只差1个电子,化学性质却截然不同。为什么?

参考答案差的那1个电子是否在最外层。钠最外层只有1个电子极易失去;氖最外层已达8电子稳定结构。化学性质主要由最外层电子数决定。

3所有原子都同时含有质子、中子、电子吗?有没有反例?

参考答案不一定。氕(¹H)原子核只有1个质子,没有中子。严谨说法:原子一般由质子、中子、电子构成,氢的轻同位素是最简原子的反例。

17第 17 页 · 课后思考